Znajdź zawartość

Badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, przy użyciu technologii światłoczułych elastomerów, zademonstrowali mikrorobota naśladującego ruch ślimaka. 10-milimetrowej długości robot, napędzany i sterowany przy pomocy modulowanej wiązki lasera, potrafi poruszać się po płaskim podłożu, wspinać po pionowej ścianie i pełzać po szklanym suficie. W przyrodzie organizmy różnej wielkości – od mikroskopijnych nicieni, przez dżdżownice, po mięczaki – poruszają się w rozmaitych środowiskach dzięki przemieszczającym się deformacjom miękkiego ciała. W szczególności ślimaki używają śluzu – śliskiej, wodnistej wydzieliny – by poprawić kontakt między miękką nogą a podłożem. Taki sposób poruszania się ma kilka unikalnych cech: działa na różnych podłożach: drewnie, szkle, teflonie czy piasku i w różnych konfiguracjach, włączając w to pełzanie po suficie. W robotyce, prosty mechanizm pojedynczej nogi mógłby zapewnić odporność na warunki zewnętrzne i zużycie elementów oraz duży margines bezpieczeństwa dzięki ciągłemu kontaktowi z podłożem. Do tej pory zademonstrowano jedynie nieliczne roboty naśladujące pełzanie ślimaków w skali centymetrów, z napędem elektro-mechanicznym. Ciekłokrystaliczne elastomery (LCE) to inteligentne materiały, które mogą szybko, w odwracalny sposób zmieniać kształt, na przykład po oświetleniu. Dzięki odpowiedniemu uporządkowaniu (orientacji) cząsteczek elastomeru można programować deformację takiego elementu. Umożliwia to zdalne zasilanie i sterowanie mechanizmów wykonawczych i robotów przy pomocy światła. Wykorzystując technologię światłoczułych elastomerów badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego we współpracy z Wydziałem Matematyki Uniwersytetu w Suzhou w Chinach zbudowali pierwszego na świecie robota, który porusza się naśladując pełzanie ślimaka w naturalnej skali. Ruch robota generowany jest przez poruszające się deformacje miękkiego ciała, wywołane wiązką lasera i ich oddziaływanie z podłożem przez warstwę sztucznego śluzu. Oświetlany wiązką lasera 10-milimetrowy robot może wspinać się na pionową ścianę i pełzać po szklanym suficie z prędkością kilku milimetrów na minutę, wciąż około 50 razy wolniej niż ślimaki porównywalnej wielkości.  Mimo niewielkiej prędkości, konieczności ciągłego uzupełniania warstwy śluzu i niskiej sprawności energetycznej, nasz robot umożliwia nowe spojrzenie na mikro-mechanikę inteligentnych materiałów oraz badania nad poruszaniem się ślimaków i podobnych zwierząt – mówi Piotr Wasylczyk z Pracowni Nanostruktur Fotonicznych, który kierował projektem. W naszych badaniach biorą udział studenci już od pierwszych lat studiów na Wydziale Fizyki. Pierwszym autorem publikacji o robocie-ślimaku w Macromolecular Rapid Communications jest Mikołaj Rogóż, laureat Diamentowego Grantu, który właśnie kończy pracę magisterską na temat ciekłokrystalicznych elastomerów i zaczyna doktorat w naszej grupie. Badacze, którzy wcześniej zademonstrowali napędzanego światłem robota-gąsienicę naturalnej wielkości, wierzą, że nowe inteligentne materiały w połączeniu z nowatorskimi metodami wytwarzania miniaturowych elementów, pozwolą im konstruować kolejne mikro-roboty i napędy – obecnie pracują nad miniaturowym silnikiem i mikro-pęsetą sterowaną światłem. Badania nad miękkimi mikro-robotami i polimerowymi mechanizmami wykonawczymi finansowane są przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu „Mechanizmy wykonawcze w mikro-skali na bazie foto-responsywnych polimerów” oraz przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach "Diamentowego Grantu" przyznanego M. Rogóżowi. Fizyka i astronomia na Uniwersytecie Warszawskim pojawiły się w 1816 roku w ramach ówczesnego Wydziału Filozofii. W roku 1825 powstało Obserwatorium Astronomiczne. Obecnie w skład Wydziału Fizyki UW wchodzą Instytuty: Fizyki Doświadczalnej, Fizyki Teoretycznej, Geofizyki, Katedra Metod Matematycznych oraz Obserwatorium Astronomiczne. Badania pokrywają niemal wszystkie dziedziny współczesnej fizyki, w skalach od kwantowej do kosmologicznej. Kadra naukowo-dydaktyczna Wydziału składa się z ponad 200 nauczycieli akademickich, wśród których jest 77 pracowników z tytułem profesora. Na Wydziale Fizyki UW studiuje ok. 1000 studentów i ponad 170 doktorantów. « powrót do artykułu

Elysia chlorotica, niezwykły ślimak zdolny do pobierania chloroplastów od pożeranych przez siebie alg i przeprowadzania dzięki nim fotosyntezy, jest w stanie samodzielnie wytwarzać chlorofil - udowadniają naukowcy z University of South Florida. O niezwykłych właściwościach E. chlorotica informowaliśmy nieco ponad rok temu. Z przeprowadzonych wówczas badań wynika, że zwierzę to pochłania od swojego podstawowego pokarmu - algi z gatunku Vaucheria litorea - chloroplasty, czyli wewnątrzkomórkowe struktury odpowiedzialne za przeprowadzanie fotosyntezy, oraz fragmenty DNA. Na podstawie instrukcji zawartych w pochłoniętych genach mięczak jest w stanie wytworzyć niektóre cząsteczki zdolne do utrzymania funkcji chloroplastów, które są przez niego wykorzystywane najprawdopodobniej w celach energetycznych. Teraz, dzięki badaniom przeprowadzonym przez zespół dr. Sidneya K. Pierce'a, dowiadujemy się, że zamieszkujący u wschodniego wybrzeża Ameryki Północnej E. chlorotica jest w stanie wytwarzać chlorofil - zielony barwnik pochłaniający światło i zdolny, wspólnie z białkami zawartymi w chloroplastach, do wykorzystywania jego energii do produkcji glukozy. Nigdy wcześniej syntezy tego związku nie udało się zaobserwować u zwierząt. Odkrycia dokonano podczas długofalowych badań nad osobnikami E. chlorotica. Zwierzęta, których komórki w momencie rozpoczęcia hodowli zawierały już pewną liczbę chloroplastów, były głodzone przez ponad pięć miesięcy. Zdaniem Pierce'a utrzymanie prawidłowej funkcji chloroplastów przez tak długi okres było niemożliwe, co sugerowało, że ich składniki muszą być syntetyzowane przez samego ślimaka. Ostatecznym dowodem na poparcie tezy postawionej Pierce'a były badania, w których zwierzęta karmiono aminokwasami wyznakowanymi radioaktywnym izotopem węgla. Gdy po pewnym czasie obecność promieniotwórczych izotopów stwierdzono w cząsteczkach chlorofilu, stało się jasne, że molekuły te są wytwarzane przez komórki E. chlorotica. Jest to pierwszy raz w historii nauki, kiedy udowodniono zdolność zwierzęcia do syntezy tego związku. Wcześniej jego wytwarzanie stwierdzano wyłącznie u roślin, alg oraz cyjanobakterii. O swoim odkryciu badacze z Florydy poinformowali za pośrednictwem czasopisma Symbiosis.

Charakterystyczny skręt muszli ślimaków jest tylko jedną z wielu cech zewnętrznych zaprogramowanych w genomie tych zwierząt. Okazuje się jednak, że genetyczny program rozwoju skorupy mięczaka można z łatwością odwrócić za pomocą... szklanej pałeczki. Kierunek skrętu ślimaczej skorupy jest cechą dziedziczną. Co więcej, jej kształt determinuje rozłożenie organów wewnętrznych, przez co u wielu gatunków sprzyja on izolacji rozrodczej osobników. Dzieje się tak, ponieważ tylko ślimaki o zgodnym kierunku skrętu skorupy (a więc zwierzęta "lewo-" lub "prawoskrętne") mogą ze sobą efektywnie współżyć. Próby odwrócenia genetycznego programu budowy skorupy podjął się zespół dr Reiko Kurody z Uniwersytetu Tokijskiego. Badacze izolowali bardzo młode zarodki ślimaków Lymnaea stagnalis, a następnie próbowali ręcznie, za pomocą niewielkiej szklanej pałeczki, zmieniać wzajemne położenie jego komórek. Celem eksperymentu było nie tylko samo zaburzenie programu rozwoju zwierzęcia, lecz także ustalenie, na jakim etapie rozwoju osobniczego dochodzi do ostatecznego określenia kierunku skrętów skorupy na późniejszych etapach życia. Jak wykazano na podstawie serii eksperymentów, optymalnym momentem do modyfikacji kierunku przyszłego skrętu skorupy jest stadium, w którym zarodek składa się z ośmiu komórek. Manipulacje na wcześniejszych etapach nie dawały oczekiwanego rezultatu. Łącznie powodzeniem zakończyło się 78% spośród ponad stu prób manipulacji. Nie licząc odwrotnej (tzn. innej od zakodowanej w genach) budowy muszli, zwierzęta były całkowicie zdrowe i płodne (oczywiście, możliwe było spłodzenie tylko potomstwa z innymi "odwróconymi" osobnikami). Ich potomstwo było jednak zbudowane w sposób charakterystyczny dla poprzednich pokoleń, co dodatkowo potwierdza istnienie genetycznego mechanizmu dziedziczenia kształtu twardej powłoki ciała. Dokonane odkrycie pozwala nie tylko na zrozumienie budowy ciała ślimaków. Analogiczne mechanizmy mogą funkcjonować także u człowieka, dzięki czemu zdobywamy w ten sposób cenną wiedzę, która może pomóc m.in. w zrozumieniu zjawisk towarzyszących zniekształceniom ciała u dzieci chorych na różne zaburzenia o podłożu genetycznym.

Naukowcy z Instytutu Ucha Bionicznego w Melbourne badali aktywność mózgu u głuchych od urodzenia kotów, które już we wczesnym dzieciństwie wyposażono w implanty ślimaka. Niewykluczone, że dzięki ich odkryciom dzieci z podobną niepełnosprawnością będą w przyszłości mówić tak samo dobrze jak maluchy słyszące (The Journal of Comparative Neurology). Zwykle drgania fal dźwiękowych pobudzają w uchu wewnętrznym tzw. komórki rzęsate, zwane też komórkami słuchowymi bądź włoskowatymi. Drgania mechaniczne są zatem przekształcane w impulsy nerwowe. U głuchych zwierząt dość często komórki zmysłowe są nieprawidłowo zbudowane, dlatego implanty muszą stymulować neurony bezpośrednio. Australijczykom zależało na sprawdzeniu, jak mózg reaguje na pobudzanie w ten właśnie sposób. Utrwalali aktywność elektryczną kory siedemnastu 8-miesięcznych kotów. Zwierzęta nie słyszały od urodzenia. Dziesięć otrzymało implant ślimaka stosunkowo niedawno, a 7 wszczepiono go w wieku 8 tygodni. Okazało się, że w pierwszej grupie włączenie urządzenia skutkowało chaotyczną aktywnością kory. Dźwięk nie był postrzegany spójnie, co w przypadku ludzi uniemożliwiałoby opanowanie mowy. W drugiej grupie aktywność kory przypominała zaś wzorce występujące u słyszących zwierząt.

Badacze z Uniwersytetu Maine rozwikłali zagadkę ślimaka zdolnego do... przeprowadzania fotosyntezy. Okazuje się, że jego niezwykłe umiejętności są możliwe dzięki wyrafinowanej "kradzieży". Niezwykły mięczak, żyjący u wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych, należy do gatunku Elysia chlorotica. Już kilka lat temu zaobserwowano w jego organizmie chloroplasty - elementy komórek roślinnych odpowiedzialne za przechwytywanie energii słonecznej i wytwarzanie przy jej użyciu cukrów. Dotychczas jednak pełne zrozumienie tego niezwykłego zjawiska było dla badaczy nieuchwytne. Autorką odkrycia jest Mary Rumpho, od lat badająca to niezwykłe zwierzę. Z przeprowadzonych przez nią eksperymentów wynika, że swoją zdolność do fotosyntezy E. chlorotica zawdzięcza "kradzieży" genów występujących normalnie u alg - głównego pokarmu ślimaka. Choć obecność chloroplastów w ciele mięczaka była bezsprzeczna, badacze nie mieli pojęcia, dlaczego jest on w stanie utrzymać je w swoim ciele przez niemal całe życie. Nie od dziś wiadomo bowiem, że własny materiał genetyczny chloroplastów koduje zaledwie około 10% białek potrzebnych do ich funkcjonowania. Pozostałe geny są ukryte w DNA jądra komórkowego alg. Od początku zadawaliśmy więc pytanie, w jaki sposób są one w stanie utrzymać się przy życiu w komórce zwierzęcej nieposiadającej tych białek, tłumaczy badaczka. Eksperymenty przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Maine potwierdziły, że materiał genetyczny chloroplastów wyizolowanych z komórek E. chlorotica nie zawiera genów umożliwiających im długotrwałe przeżycie poza macierzystym organizmem. Oczywistym (choć jednocześnie niezwykle zaskakującym) było więc, że brakujące geny muszą pochodzić z genomu samego ślimaka. Rzeczywiście, badanie sekwencji DNA mięczaka potwierdziło to przypuszczenie. Nie wiemy, jak to możliwe, i możemy jedynie snuć przypuszczenia, tłumaczy Rumpho. Badacze zaproponowali dwie hipotezy mogące wyjaśniać tę zagadkę. Pierwsza z nich mówi o przechwyceniu genów alg razem z pochłanianymi komórkami. Zgodnie z nią, z niewiadomych przyczyn pokaźne fragmenty materiału genetycznego mogły zostać wbudowane do genomu E. chlorotica. Konkurencyjna teoria mówi o niezidentyfikowanym wirusie, który mógł przenieść sekwencje DNA z komórek jednego gatunku do drugiego. Co ciekawe, geny alg znaleziono także w komórkach rozrodczych ślimaka. Oznacza to, że DNA kodujące "egzotyczne" dla niego białka jest przekazywane kolejnym pokoleniom. E. chlorotica nie jest pierwszym odkrytym zwierzęciem wykorzystującym zdolność innych organizmów do fotosyntezy na swoją korzyść. Wyjątkowość odkrycia polega jednak na tym, że w przypadku tego organizmu dochodzi do wbudowania chloroplastów do własnych komórek i utrzymania ich w tym miejscu przez niemal cały czas trwania jego życia. Wszelkie inne zwierzęta osiągały ten sam efekt wyłącznie dzięki pochłanianiu na krótki czas całych komórek roślinnych. O swoim odkryciu badacze z Uniwersytetu Maine informują na łamach czasopisma Proceedings of the National Academy of Sciences.

Nietypowy rodzaj napędu został zaobserwowany przez naukowca z Uniwersytetu Kalifornijskiego u ślimaków wodnych. Przypomina on "chwytanie się" powierzchni wody w celu pchnięcia własnego ciała naprzód. Autorem odkrycia, o którym informuje czasopismo Physics of Fluid, jest dr Eric Lauga - specjalista z zakresu inżnierii mechanicznej i kosmicznej. Badacz zaprezentował w swojej publikacji sposób poruszania się niektórych ślimaków żyjących pod powierzchnią wody. Ich zachowanie było dotychczas niezrozumiałe, gdyż wydawało się, że niemożliwe jest "złapanie się" powierzchni cieczy i przesuwanie względem niej. Jak się okazało, było to błędne założenie. Jak wykazał dr Lauga, sekretem ślimaków jest wytwarzany przez nie śluz. Ciało zwierzęcia ma gęstość mniejszą od wody, dzięki czemu dąży do zbliżenia do jej powierzchni. Mimo to mięczak nie wydostaje się na powierzchnię właśnie ze względu na swoją wydzielinę. Wchodzi ona w kontakt z wodą i jest na tyle gęsta, że ślimak nie może przebić tej warstwy. Zamiast tego zanurza w niej swoją nogę, powodując zaburzenie jej struktury. Prowadzi to do powstania "zmarszczek" na powierzchni wody, które są z kolei przekazywane z powrotem do ciała zwierzęcia, powodując jego przesuwanie. Autor odkrycia szacuje, że zrozumienie tego procesu pozwoli na zbudowanie maszyn, które mogłyby poruszać się w podobny sposób, pod powierzchnią wody lub nad nią. Najbardziej oczywistym odbiorcą tego typu technologii wydaje się być armia, lecz warto wierzyć, że zostanie ona wykorzystana także do bardziej pokojowych celów.

Aby porównać śluz naturalny ze sztucznym, inżynierowie z MIT i Katolickiego Uniwersytetu w Louvain (CUL) skonstruowali robota-ślimaka, który potrafi wspinać się po pionowych ścianach niczym alpinista. Śluz ślimaka jest klejem, a zarazem substancją poślizgową. Dzięki niemu zwierzę przemieszcza się po powierzchniach niemal prostopadłych w stosunku do podłoża, nie odpadając od nich. Przyklejony do podłoża ślimak wypycha tylną część ciała ku przodowi. Dzięki temu odrywa się od łodygi czy betonowego murku, a następnie śluz znowu bezpiecznie przytwierdza go do nich. Naukowcy chcieli zbadać cykl rozkładu (odrywania od podłoża) i odnowy (ponownego przyklejania) kleju ślimaka, dlatego prześledzili właściwości syntetycznych śluzów, wyprodukowanych w oparciu o glinę i polimery. Wyliczyli też właściwości idealnego śluzu, który umożliwiałby wspinaczkę robotowi. Ważnym wnioskiem jest to, że prawdziwy śluz ślimaka nie jest potrzebny, by maszyna mogła wspinać się po ścianach. Możemy wyprodukować własny materiał adhezyjny, który pozwala na przemieszczanie się i to przy wykorzystaniu kupnych preparatów z farm ślimaków — wyjaśnia Randy Ewoldt z MIT. Jego współpracownik z CUL, Christian Clasen, dodaje, że dobre substancje poślizgowo-klejące to także żel do włosów, majonez, smar czy masło orzechowe (Soft Matter). Ewold jako pierwszy zetknął się z problemami zbierania śluzu od prawdziwych ślimaków, bo jest pionierem tego typu hodowli. Wabię ślimaki nagie lub oskorupione liściem sałaty. Gdy mam szczęście, przemierzą w poprzek całą ściankę akwarium i zostawią wystarczającą ilość śluzu, bym mógł ją zebrać.

Naukowcy z University of Leicester chcą lepiej zrozumieć, jak działa ludzki mózg, studiując budowę mózgu ślimaka. Badacze mają zamiar prześledzić rozwój układu nerwowego i procesy kontrolujące pourazową regenerację neuronów. Szefem projektu jest dr Volko Straub. Gazowy tlenek azotu (NO) to zarazem wróg i sprzymierzeniec. Może być wysoce toksyczny i zabójczy, ale znajduje się go również w mózgu, gdzie neurony wykorzystują go w procesie komunikowania się. Jest trucizną oraz substancją sygnałową (neuroprzekaźnikiem). Podczas rozwoju mózgu tlenek azotu wspiera wzrost komórek nerwowych i tworzenie się nowych połączeń między neuronami. Uczenie się także uruchamia proces formowania synaps i często wymaga obecności tlenku azotu. Naukowcy wiedzą niewiele ponad to, że tlenek jest istotny dla powodzenia procesu tworzenia połączeń neuronalnych. Trzeba między innymi sprecyzować mechanizm zaobserwowanego zjawiska. Badanie tego procesu u zwierząt wyższych jest trudne ze względu na stopień złożności układu nerwowego. Na szczęście ewolucja była bardzo konserwatywna. Zdecydowaliśmy się więc na analizę układu nerwowego pospolitego ślimaka wodnego [błotniarki stawowej — przyp. red.]. U ślimaka pojedynczy neuron jest stosunkowo duży, łatwy do wyodrębnienia i podatny na eksperymentalne manipulacje. Można go wyizolować z układu nerwowego i stworzyć hodowlę komórkową, gdzie dochodzi do wzrostu i utworzenia funkcjonalnych połączeń. Co ważne, podstawowe procesy oraz czynniki kontrolujące wzrost neuronów i formowanie połączeń są wspólne dla wielu zwierząt.

W Wielkiej Brytanii wprowadzono na rynek lek przeciwbólowy, bazujący na jadzie morskiego ślimaka. Daje to nadzieję osobom cierpiącym z powodu chronicznego bólu, które nie reagują albo nie tolerują innych rodzajów leczenia, np. morfinoterapii. Japońska firma farmaceutyczna Eisai nabyła prawa do sprzedaży medykamentu w Europie od irlandzkiego Elanu. Anglia jest pierwszym krajem Starego Kontynentu, gdzie rozpoczęła się sprzedaż leku. Jest on syntetycznym odpowiednikiem substancji (konotoksyny) produkowanej przez żyjącego w filipińskich wodach ślimaka Conus magus. Mięczak posługuje się jadem, by sparaliżować swoje ofiary. U ludzi neurotoksyna blokuje przewodzenie sygnałów do mózgu, przez co przestaje się odczuwać ból. Potencjalnie lek daje duże możliwości, ale może również wywoływać różne skutki uboczne, m.in.: zawroty głowy, nudności oraz zaburzenia widzenia (zamazany obraz). Opracowano go z myślą o niewielkiej grupie pacjentów z nowotworami i innymi poważnymi chorobami, związanymi z odczuwaniem bardzo silnego bólu. Jest on dozowany przez malutką pompę i podawany bezpośrednio do płynu rdzeniowego. W lutym Eisai zgodziło się zapłacić Elanowi 100 mln dol. za europejskie prawa do Prialtu, który jest przez analityków uznawany za lek niszowy, ze skromnymi perspektywami sprzedażowymi. W Wielkiej Brytanii za opakowanie zawierające 100 mikrogramów leku trzeba będzie zapłacić 499,7 dol. Średnia dzienna dawka wśród osób biorących udział w próbach klinicznych wynosiła 7,2 mikrograma.